DE102023128976A1 - Method for estimating the unbalance distribution of a rotor - Google Patents
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Abstract
Bei einem Verfahren zu den Abschätzungen der Unwuchtverteilung in Bezugsebenen eines Rotors, werden bei jedem Bauteil des Rotors ein oder mehrere Unwuchtursachen mit ihren jeweiligen Unwuchtverteilungen in den Bezugsebenen des Rotors dargestellt. Anschließend werden Unwuchten eines jeden Bauteils mit einer wählbaren Quantilsgrenze in einer axialen Position berücksichtigt und ein Zusammenbau einer Vielzahl von Rotoren mit seinen Bauteilen simuliert. Eine Monte-Carlo-Simulation der Vielzahl von Rotoren mit ihren verschiedenen Verteilungen von Unwuchtursachen kann hieraus ausgeführt werden und die statistische Unwuchtverteilung der Vielzahl der Rotoren in seinen Referenz- bzw. Ausgleichsebenen abgeleitet werden.In a method for estimating the unbalance distribution in reference planes of a rotor, one or more causes of unbalance are represented for each component of the rotor with their respective unbalance distributions in the reference planes of the rotor. The unbalances of each component are then taken into account with a selectable quantile limit in an axial position and an assembly of a large number of rotors with its components is simulated. A Monte Carlo simulation of the large number of rotors with their various distributions of causes of unbalance can be carried out from this and the statistical unbalance distribution of the large number of rotors in their reference or compensation planes can be derived.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abschätzungen der Unwuchtverteilung in Bezugsebenen eines Rotors, bei dem jedem Bauteil des Rotors ein oder mehrere Unwuchtursachen mit ihren jeweiligen Unwuchtverteilungen in den Bezugsebenen des Rotors zugeordnet werden.The invention relates to a method for estimating the unbalance distribution in reference planes of a rotor, in which each component of the rotor is assigned one or more causes of unbalance with their respective unbalance distributions in the reference planes of the rotor.
Nach dem sehr anspruchsvollen Teil der Rotormodellierung, insbesondere bei Triebwerksrotoren, muss ein weiterer wesentlicher Konstruktionsschritt durch die Ableitung der Fertigungszeichnungen erfolgen. Jedes einzelne Teil eines Rotors erfordert eine genaue Definition seiner Bezugsflächen, auf die alle anderen Form- und Gestalttoleranzgrenzen bezogen werden können. Rundheit, Konzentrizität, Koaxialität, Rund- und Planlauf beschreiben die zulässigen Fluchtungsfehler aller Rotorteile. Analysiert man diese Effekte unter dem Gesichtspunkt der Auswuchtung, so lassen sich die meisten Unwuchtursachen einzelnen geometrischen Toleranzgrenzen zuordnen.After the very demanding part of rotor modeling, especially for engine rotors, another essential design step must be carried out by deriving the production drawings. Each individual part of a rotor requires a precise definition of its reference surfaces, to which all other form and shape tolerance limits can be related. Roundness, concentricity, coaxiality, radial and axial runout describe the permissible misalignment of all rotor parts. If these effects are analyzed from the point of view of balancing, most causes of imbalance can be assigned to individual geometric tolerance limits.
Das Auswuchten beginnt immer mit der korrekten Definition der Drehachse eines Rotors und eines Rotorkoordinatensystems, das die Phase eines beliebigen Ortes auf dem Rotorumfang definiert.
Auf der Grundlage dieser Definition können drei Arten von Ungleichgewichten analysiert werden:Balancing always begins with the correct definition of the axis of rotation of a rotor and a rotor coordinate system that defines the phase of any location on the rotor circumference.
Based on this definition, three types of imbalances can be analyzed:
Intrinsische UnwuchtIntrinsic imbalance
Für jedes einzelne Bauteil wird eine maximal mögliche Urunwucht berechnet/geschätzt, die auf dem Herstellungsverfahren, den Fertigungstoleranzen und der Komplexität des Bauteils beruht. Wenn auf der Zeichnung eine Auswuchttoleranz angegeben ist, wird dieser Wert verwendet: U = m * rFor each individual component, a maximum possible initial unbalance is calculated/estimated, based on the manufacturing process, manufacturing tolerances and the complexity of the component. If a balancing tolerance is specified on the drawing, this value is used: U = m * r
Unwucht durch RundlaufUnbalance due to concentricity
Wenn ein Bauteil auf einem Rotor auf einer Fläche montiert wird, die einen Rundlauf hat, entsteht eine Unwucht: U = e * mIf a component is mounted on a rotor on a surface that has a concentricity, an imbalance occurs: U = e * m
Unwucht aufgrund von PassungsspielUnbalance due to clearance
Wird ein Bauteil mit einer Spielpassung auf einen Rotor montiert, entsteht ebenfalls eine Unwucht: U = e * mIf a component with a clearance fit is mounted on a rotor, an imbalance also occurs: U = e * m
Es gibt noch weitere Gründe, z.B. Neigungen von Rotorkomponenten durch Planschläge von scheibenähnlichen Komponenten, die zu Momentenunwuchten führen.There are other reasons, e.g. inclinations of rotor components due to axial runout of disk-like components, which lead to moment imbalances.
Im Einzelfall kann es weitere Ursachen für Unwucht geben, wie beispielsweise die Bauteilmassen, die Exzentrizität, die Konzentrizität, die Koaxialität und die Radien, und jedes dieser Maße ist mit einer Form- und Formtoleranzgrenze verbunden. Mittels des Fehlerfortpflanzungsgesetzes können die spezifischen Unsicherheiten einer Unwucht verursachenden Form- und Lagetoleranz zu der zu erwartenden Verteilung der Unwucht am Ende des Fertigungsprozesses zusammengefasst werden.In individual cases, there may be other causes of unbalance, such as component masses, eccentricity, concentricity, coaxiality and radii, and each of these dimensions is associated with a form and shape tolerance limit. Using the error propagation law, the specific uncertainties of a form and position tolerance causing unbalance can be summarized to the expected distribution of the unbalance at the end of the manufacturing process.
Die Unwucht ist ein Vektor, der als Polarkoordinaten mit einem Betrag und einer Phase beschrieben wird. Die Phase bezieht sich auf das Rotorkoordinatensystem und verwendet in vielen Fällen ein bestimmtes Rotormerkmal. Außerdem ist jeder Unwuchtvektor mit einer bestimmten axialen Position verbunden.The unbalance is a vector described as polar coordinates with a magnitude and a phase. The phase is related to the rotor coordinate system and in many cases uses a specific rotor characteristic. In addition, each unbalance vector is associated with a specific axial position.
Jede Summe von verschiedenen Gründen muss auf spezielle Rotorebenen bezogen werden. Diese Notwendigkeit erfordert eine Ebenenübertragung durch Anwendung des Hebelgesetzes. Jede Unwuchtursache muss zum Zusammenfassen auf die Bezugsebenen des Rotors übertragen werden.Each sum of different causes must be related to specific rotor planes. This requirement requires a plane transfer by applying the lever law. Each cause of unbalance must be transferred to the reference planes of the rotor to summarize.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen, das es ermöglicht, Unwuchten eines Rotors im Fertigungsverlauf nur auf Basis von Fertigungszeichnungen abzuschätzen und diese Information für einen ggf. erforderlich Unwuchtausgleich zu nutzen.The object of the invention is to provide a method which makes it possible to estimate the imbalance of a rotor during production only on the basis of production drawings and to use this information for any necessary unbalance compensation.
Gelöst wird die Aufgabe durch die Lehre des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausgestaltungen der Lehren finden sich in den abhängigen Ansprüchen.The problem is solved by the teaching of
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abschätzung der Unwuchtverteilung in Bezugsebenen eines Rotors, bei dem jedem Bauteil des Rotors ein oder mehrere Unwuchtursachen mit ihren jeweiligen Unwuchtverteilungen in den Bezugsebenen des Rotors zugeordnet werden,
Unwuchten eines jeden Bauteils als ein wählbares Quantil, insbesondere eine wählbare Quantilsgrenze, vorteilhafterweise des 99%-Quantils, in einer axialen Position berücksichtigt werden,
ein Zusammenbau einer Vielzahl von Rotoren mittels Monte-Carlo-Simulation mit seinen Bauteilen simuliert wird,
die Monte-Carlo-Simulation mit einer Vielzahl von Rotoren mit ihren verschiedenen Verteilungen von Unwuchtursachen im Fertigungsablauf nachstellt und hieraus die statistische Unwuchtverteilung der Vielzahl der Rotoren in deren Referenzebenen ableitet, wobei insbesondere hieraus die statistische Unwuchtverteilung in beiden Referenzebenen aus der Vielzahl der Rotoren abgeleitet wird.The invention relates to a method for estimating the unbalance distribution in reference planes of a rotor, in which each component of the rotor is assigned one or more causes of unbalance with their respective unbalance distributions in the reference planes of the rotor,
Unbalances of each component are taken into account as a selectable quantile, in particular a selectable quantile limit, advantageously the 99% quantile, in an axial position,
an assembly of a large number of rotors is simulated using Monte Carlo simulation with its components,
the Monte Carlo simulation is carried out with a large number of rotors with their different distributions of unbalance causes in the production process and from this the statistical unbalance distribution of the large number of rotors in their reference planes is derived, whereby in particular the statistical unbalance distribution in both reference planes is derived from the large number of rotors.
Bei der Rotorentwicklung ist es wichtig, einen Rotor mit einer erwartbaren Unwuchtverteilung zu konstruieren, um einen Unwuchtausgleich in einer Fertigung planen zu können. Die Schwierigkeiten entstehen bei der Konstruktion von Bauteilen mit CAD-Software, die das Vorhandensein von Unwuchten oder die Fähigkeit, einen ausgeglichenen Zustand für jede Rotorkonstruktion zu erreichen, nicht darstellen. Die Fertigungsverfahren stellen sicher, dass die Serienfertigungsschritte innerhalb der in den Fertigungszeichnungen festgelegten Toleranzgrenzen liegen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann sichergestellt werden, dass die in der Entwurfsphase geschätzten Unwuchtbeiträge durch einen Unwuchtausgleich in der späteren Fertigung ausgeglichen werden können.When developing a rotor, it is important to design a rotor with an expected unbalance distribution in order to be able to plan for unbalance compensation in production. The difficulties arise when designing components using CAD software, which does not represent the presence of unbalance or the ability to achieve a balanced state for each rotor design. The manufacturing processes ensure that the series production steps are within the tolerance limits specified in the production drawings. The method according to the invention can ensure that the unbalance contributions estimated in the design phase can be compensated for by unbalance compensation in later production.
Der einwandfreie, also schwingungs- und unwuchtarme Betrieb eines starren Rotors hängt von einer wirksamen Einhaltung der Rundläufe und der Exzentrizitäten diverser Rotor-Komponenten ab. Die Festlegung dieser Form- und Lage-Toleranzen muss bei der Konstruktion berücksichtigt werden, um sicherzustellen, dass die zu fertigenden Rotoren letztlich in dem zulässigen Restunwuchtbereich bleiben.The flawless operation of a rigid rotor, i.e. with low vibration and unbalance, depends on effective compliance with the concentricity and eccentricity of various rotor components. The determination of these shape and position tolerances must be taken into account during design to ensure that the rotors to be manufactured ultimately remain within the permissible residual unbalance range.
Mit Hilfe von Finite-Elemente-Methoden kann die Auswirkungen verschiedener Unwuchtverteilungen entlang der Rotorachse und deren Anregung des elastischen Verhaltens der Rotorwelle abgeschätzt werden. Prädiktive Analysen mit Wahrscheinlichkeiten bestimmen die Beiträge zu den Schwingungspegeln der Baugruppe. Es wird ein Verfahren vorgeschlagen, mit dem Auswirkungen zulässiger Fertigungsunsicherheiten in den frühesten Phasen der Rotorkonstruktion auf die nachfolgenden Montageprozesse berücksichtigbar werden.Finite element methods can be used to estimate the effects of different unbalance distributions along the rotor axis and their excitation of the elastic behavior of the rotor shaft. Predictive analyses with probabilities determine the contributions to the vibration levels of the assembly. A method is proposed with which the effects of permissible manufacturing uncertainties in the earliest phases of rotor design on the subsequent assembly processes can be taken into account.
In einer bevorzugten Gestaltung werden Bezugsebenen als Ausgleichsebenen eingeführt, so dass die Unwuchtverteilung durch einen Auswuchtschritt als korrigierbar ausgelegt werden muss.In a preferred design, reference planes are introduced as compensation planes, so that the unbalance distribution must be designed to be correctable by a balancing step.
Es ist vorgesehen, dass von jedem Bauteil des Rotors die Unwuchtursachen, Unwuchtwerte und axialen Positionen bestimmt werden.It is intended that the causes of unbalance, unbalance values and axial positions of each component of the rotor are determined.
Ferner ist vorgesehen, dass Unwuchten der Bauteile auf Lagerebenen bezogen werden.Furthermore, it is intended that imbalances of the components are related to bearing levels.
Mithilfe der Monte-Carlo-Simulation ist vorteilhafterweise auch eine zweidimensionale Verteilung einer systematischen und einer zufälligen Unwuchtabweichung aller Fertigungsschritte nachbildbar, wobei vorteilhafterweise durch die Festlegung von Form- und Lagertoleranzen der Komponenten möglich wird, den finalen Unwuchtzustand in den gewünschten Grenzen zu halten.With the help of the Monte Carlo simulation, it is also advantageously possible to simulate a two-dimensional distribution of a systematic and a random unbalance deviation of all production steps, whereby the definition of shape and bearing tolerances of the components makes it possible to keep the final unbalance state within the desired limits.
Es ist vorteilhaft, dass eine intrinsische Unwucht eines jeden, insbesondere wichtigen Bauteils bestimmt wird.It is advantageous that an intrinsic unbalance of each component, especially important ones, is determined.
Des Weiteren kann es vorteilhaft sein, dass jede einzelne geometrische Toleranzgrenze, die einen Unwuchtbetrag definiert, mit einer gleichverteilten Phasenlage über alle Rotoren der Simulation dargestellt wird.Furthermore, it can be advantageous that each individual geometric tolerance limit that defines an unbalance amount is represented with an evenly distributed phase position across all rotors in the simulation.
Auslegung der Form- und LagetoleranzgrenzenInterpretation of form and position tolerance limits
Jede geometrische Toleranzgrenze stellt ein bestimmtes Quantil der entsprechenden Wahrscheinlichkeitsverteilung dar. Es können verschiedene Arten von Verteilungen berücksichtigt werden.Each geometric tolerance limit represents a specific quantile of the corresponding probability distribution. Different types of distributions can be considered.
Im Allgemeinen können auch beliebige Quantile verwendet werden, aber für nicht überwachte Form- und Lagetoleranzen passt der Wert 99 % als Quantil gut zu den Erfahrungen.In general, any quantile can be used, but for unmonitored geometric tolerances, the value 99% as a quantile fits well with experience.
Die oben genannten Unwuchtursachen verursachen einen kreisförmigen Unsicherheitsbereich in einem Polardiagramm mit dem Unwuchtbetrag als ringförmige Grenze. Aber die Vektorcharakteristik, insbesondere die individuelle Phaseninformation, fehlt noch. Dieses Problem wird gelöst, indem für jede einzelne Unwuchtursache eine Rechteck-Verteilung der Phasenlage zu unterstellen ist.The above-mentioned causes of unbalance cause a circular uncertainty range in a polar diagram with the amount of unbalance as a ring-shaped boundary. But the vector characteristics, in particular the individual phase information, are still missing. This problem is solved by assuming a rectangular distribution of the phase position for each individual cause of unbalance.
Kombination von UnwuchtverteilungenCombination of unbalance distributions
Durch die Anwendung einer Monte-Carlo-Simulation können verschiedene Unwuchtursachen mit auch unterschiedlichen Verteilungen kombiniert in den Referenzebenen des Rotors summiert dargestellt werden. Die Unwuchtursachen können systematischer und zufälliger Natur sein. Dadurch können auch Auswuchtprozesse in dem Fertigungsablauf simuliert werden.By using a Monte Carlo simulation, different causes of imbalance, including different distributions, can be summed up in the reference planes of the rotor. The causes of imbalance can be of a systematic or random nature. This also allows balancing processes in the production process to be simulated.
Eine typische Form für Unwuchtverteilungen ist die zweidimensionale Normalverteilung. Weiterhin können Form- und Lage Toleranzen z. B. durch Uniform-, Normal- oder Weibull-Verteilungen repräsentiert werden. Die Summation der Verteilungen diverser Unwuchtbeiträge werden ebenfalls wieder eine Verteilung bilden, die idealerweise wieder in einem Wahrscheinlichkeitsdiagramm dargestellt wird. Aus diesem sind dann in wählbaren Quantilen die jeweiligen erreichbaren Unwuchtgrenzen zu entnehmen.A typical form for unbalance distributions is the two-dimensional normal distribution. Furthermore, shape and position tolerances can be represented, for example, by uniform, normal or Weibull distributions. The summation of the distributions of various unbalance contributions will also form a distribution, which is ideally shown in a probability diagram. From this, the respective achievable unbalance limits can then be derived in selectable quantiles.
Anwendung der Monte-Carlo-SimulationApplication of Monte Carlo simulation
Die Quantilsgrenzen von Unwuchtbeiträgen lassen sich nicht in andere Ebenen transformieren. Das Hebelgesetz zur Umrechnung von Unwuchten in andere Ebenen erfordert Vektoren für die Ebenentransformationen.The quantile limits of unbalance contributions cannot be transformed into other levels. The lever law for converting unbalances into other levels requires vectors for the level transformations.
Die Lösung dieses Problems ist die Anwendung der Monte-Carlo-Simulation. Zu jeder Unwuchtverteilung einer jeden Unwuchtursache wird eine wählbare Anzahl von Elementen dieser Verteilungsform berechnet. Diese einzelnen Elemente sind Vektoren, deren Umrechnung in andere Ebenen, im Gegensatz zu Quantilsgrenzen möglich ist.The solution to this problem is the use of Monte Carlo simulation. For each unbalance distribution of each cause of unbalance, a selectable number of elements of this distribution form are calculated. These individual elements are vectors that can be converted to other levels, unlike quantile limits.
Das Verfahren bildet vorteilhafterweise einen virtuellen Serienfertigungsprozess des Rotors nach. Beginnend mit der virtuellen Montage von beispielsweise 10.000 Rotoren ergibt sich bereits ein repräsentatives Ergebnis der endgültigen Unwuchtverteilung in den Bezugsebenen des Rotors. Für diesen Montageprozess werden ebenfalls 10.000 Bauteile benötigt. Jedem Bauteil sind ein oder mehrere Unwuchtursachen mit ihren Verteilungen zugeordnet. Damit lässt sich die zu erwartende Unwuchtverteilung in den Referenzebenen des Rotors abschätzen. Wenn diese Bezugsebenen in einer Ausgestaltung als Ausgleichsebenen eingeführt werden, kann man sehen, ob die Unwuchtverteilung durch den abschließenden Auswuchtschritt korrigiert werden kann. Ebenso lässt sich das Ergebnis nach dem virtuellen Ausgleichsschritt in den Referenzenebenen - zumeist die Lagerebenen - bewerten.The method advantageously simulates a virtual series production process of the rotor. Starting with the virtual assembly of, for example, 10,000 rotors, a representative result of the final unbalance distribution in the reference planes of the rotor is already obtained. 10,000 components are also required for this assembly process. Each component is assigned one or more causes of unbalance and their distributions. This makes it possible to estimate the expected unbalance distribution in the reference planes of the rotor. If these reference planes are introduced in a design as compensation planes, it is possible to see whether the unbalance distribution can be corrected by the final balancing step. The result after the virtual compensation step can also be evaluated in the reference planes - usually the bearing planes.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels der Erfindung näher erläutert, das in der Zeichnung dargestellt ist. Es zeigen
-
1 schematische Ansicht eines Rotors, -
2 Schnittdarstellung des Rotors gemäß1 , -
3 eine schematische Darstellung der Welle, -
4 eine schematische Darstellung der Scheibe auf der Welle, -
5 eine Schnittdarstellung des Rotors gemäß1 mit den Bereichen A, B, -
6 Darstellung der Wahrscheinlichkeit in Relation zur Unwucht,
-
1 schematic view of a rotor, -
2 Sectional view of the rotor according to1 , -
3 a schematic representation of the wave, -
4 a schematic representation of the disc on the shaft, -
5 a sectional view of the rotor according to1 with the areas A, B, -
6 Representation of the probability in relation to the imbalance,
Figur 1: Einführung eines RotorbeispielsFigure 1: Introduction of a rotor example
Das folgende Beispiel eines Rotors ist rein fiktiv, soll keine reale Baugruppe darstellen und Ähnlichkeiten sind rein zufällig. Die gekennzeichneten geometrischen Abmessungen und Toleranzen sind nur ein Auszug und beschreiben nicht alle Rotationsbeziehungen oder mögliche Ursachen für auftretende Unwuchten. Die Rotoreinheit besteht aus vier Hauptteilen, die rotationssymmetrisch sind: Welle 1, Scheibe 2, Konus 3, Hohlring 4.The following example of a rotor is purely fictitious, is not intended to represent a real assembly and any similarities are purely coincidental. The geometric dimensions and tolerances marked are only an excerpt and do not describe all rotational relationships or possible causes of imbalances that may occur. The rotor unit consists of four main parts that are rotationally symmetrical:
Die Hauptwelle 1 hat zwei Lagersitze und bildet die Rotationsachse. Die Scheibe 2 sitzt direkt auf der Welle 1 und wird vom Konus 3 gefolgt. Der Hohlring 4 wird durch den Konus 3 positioniert und mit Schrauben befestigt. Die axialen Positionen der bauteilspezifischen Schwerpunkte sind genau zu definieren, da dort die Ebenen der Unwuchtursachen liegen. Die Kombination aller Unsicherheiten wird in den Lagerebenen dargestellt.
Erläuterung der UnwuchtursachenExplanation of the causes of imbalance
Im Folgenden werden verschiedene Ursachen für eine Unwucht aufgeführt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit werden nur einige repräsentative Unwuchtursachen betrachtet.Various causes of imbalance are listed below. For the sake of clarity, only a few representative causes of imbalance are considered.
Der Unwuchteinfluss der WelleThe imbalance influence of the shaft
Die Welle 1 trägt mit drei Ursachen zur Unwucht bei:
- •
Die Welle 1 selbst, aber aufgrund ihrer präzisen Bearbeitung kann dieser Betrag vernachlässigt werden. - • Der Sitz der
Scheibe 2. - • Der Sitz des
Konus 3.
- • The
shaft 1 itself, but due to its precise machining this amount can be neglected. - • The seat of the
disc 2. - • The seat of the
cone 3.
Ein typischer Grund für eine statische Unwucht sind Rundlauffehler. Daraus ergibt sich eine Exzentrizität für die Masse der montierten Komponente. Diese Rundlauffehler können zwar minimiert, aber aus Kosten-, Fertigungszeit- und technischen Gründen nicht beseitigt werden.A typical reason for static imbalance is runout. This results in an eccentricity for the mass of the assembled component. Although these runouts can be minimized, they cannot be eliminated for cost, production time and technical reasons.
Die Wellensitze für Scheibe und Konus sind mit je run=1 0 µm Rundlauffehler toleriert und ergeben eine Exzentrizität e = run/2 = 0.005 mm (siehe
Der Konus 3 hält auch den Hohlring 4.
Der Unwuchteinfluss der Scheibe 3The unbalance influence of
Die Scheibe 3 trägt mit drei Ursachen zur Unwucht bei:
- • Die
Eigenunwucht der Scheibe 3 ist statisch ausgewuchtet mit einer zulässigen Toleranzgrenze von 35 gmm. - • Der laterale Run-out
der Scheibe 3. - •
Die Scheibe 3 bringt durch den radialen Run-out der Wellenpassung eine Unwucht mit sich. Diese Unwucht wird auch durch das Gewicht des Hohlrings 4 verursacht. Dieser Beitrag wurde im Absatz für dieWelle 1 berücksichtigt.
- • The inherent unbalance of
disc 3 is statically balanced with a permissible tolerance limit of 35 gmm. - • The lateral run-out of the
disc 3. - • The
disc 3 introduces an imbalance due to the radial run-out of the shaft fit. This imbalance is also caused by the weight of thehollow ring 4. This contribution has been taken into account in the paragraph forshaft 1.
Die Passung für den lateralen Rundlauf- Fehler der Scheibe 3 bewirkt, im Gegensatz zu Radialfehlern, keine statische Unwucht. Der Schwerpunkt bleibt auf der Drehachse. Eine Schrägstellung führt zu einem Unwuchtmoment. Dieses Unwuchtmoment ist unabhängig von seiner axialen Lage und kann frei auf die Drehachse verschoben werden. Die resultierende Momentenunwucht wird durch den betrachteten Ebenenabstand geteilt, z.B. den Abstand der Ausgleichs- oder Lagerebenen und ergibt somit den Beitrag eines Unwuchtpaars in den Referenzebenen.The fit for the lateral runout error of
Der Planlauffehler der Scheibe 3 im montierten Zustand wird am Außendurchmesser mit 0,01 mm toleriert. Er beschreibt die Schiefstellung der Scheibe 3 zu den Lagersitzen und führt zu einem Unwuchtmoment, bzw. zu einem Unwuchtpaar in den Referenzebenen.The axial runout error of
Für die Berechnung werden die Massenträgheitsmomente um den Schwerpunkt und die Achsen x und z benötigt.The calculation requires the mass moments of inertia around the center of gravity and the x and z axes.
Die Momentenunwucht Uc wird berechnet (siehe
Das Unwuchtmoment Um (unabhängig von Referenzebenen) ist definiert mit
Der Unwuchteinfluss des Konus 3The unbalance influence of
Der Konus 3 trägt mit zwei Ursachen zur Unwucht bei:
- • Die Eigenunwucht des
Konus 3 ist statisch ausgewuchtet mit einer zulässigen Toleranzgrenze von 40 gmm. - • Der radiale Rundlauffehler des
Konus 3 durch den radialen Rundlauffehlers der Wellenaufnahme. Diese Unwuchtursache umfasst auch das Gewicht desHohlrings 4. Dieser Beitrag wurde für dieWelle 1 berücksichtigt.
- • The inherent unbalance of
cone 3 is statically balanced with a permissible tolerance limit of 40 gmm. - • The radial runout of
cone 3 due to the radial runout of the shaft mount. This cause of imbalance also includes the weight of thehollow ring 4. This contribution was taken into account forshaft 1.
Der Unwuchteinfluss des Hohlrings 4The unbalance influence of the
Der Hohlring 4 trägt mit drei Ursachen zur Unwucht bei:
- • Die Montage des
Hohlrings 4auf dem Konus 3. - • Die Unwucht des inneren Bereichs durch eine exzentrische Innenfläche,
- •
Der Hohlring 4 verursacht eine Unwucht durch die Wellenbefestigung desKonus 3, dieser Betrag ist imAbsatz der Welle 1 enthalten, andere mögliche Effekte werden in diesem Beispiel vernachlässigt.
- • The assembly of the
hollow ring 4 on thecone 3. - • The imbalance of the inner area due to an eccentric inner surface,
- • The
hollow ring 4 causes an imbalance due to the shaft fastening of thecone 3, this amount is included in the shoulder of theshaft 1, other possible effects are neglected in this example.
Aus technischen und handhabungstechnischen Gründen werden Teile oft mit einer Spielpassung montiert. Daraus ergibt sich ein Freiheitsgrad hinsichtlich der außermittigen Positionierung des Schwerpunktes für das Anbauteil.For technical and handling reasons, parts are often assembled with a clearance fit. This results in a degree of freedom with regard to the off-center positioning of the center of gravity for the attachment part.
Die Passung zwischen dem Konus 3 und dem Hohlring 4 ist eine Spielpassung mit einer h6/H6-Kombination. Bei einem Nenndurchmesser von 210 mm ist ein maximales Spiel von 58 µm möglich, bzw. eine Exzentrizität von 29 µm. Die statische Unwucht wird über die Masse des jeweiligen Bauteils berechnet:
Rundlauffehler der Innen- und Außenflächen von Hohlkörpern führen häufig zu großen Unwuchten, da sie sehr oft unterschätzt werden. Die statische Unwucht ist das Produkt aus der Exzentrizität des Innenvolumens, der. Bei diesem Ansatz wird davon ausgegangen, dass der Außendurchmesser auf die Flächen A und B der Welle bezogen ist (siehe
Bei einem Rundlauffehler von 0,02 mm der Innenkontur zu den Referenzflächen A und B wird die mögliche Unwucht mit berechnet:
Der Unwuchteinfluss der SchraubenThe imbalance influence of the screws
Symmetrische Anordnungen können ebenfalls Unwuchten verursachen, da ihre Positionen oder Massen ebenfalls eine Verteilung bilden.Symmetrical arrangements can also cause imbalances because their positions or masses also form a distribution.
Der Hohlring 4 ist mit 16 Schrauben auf dem Konus 3 befestigt. Eine Schraube hat eine nominale Masse von 25 g und eine Massenverteilung von ± 0,5 g. Dieser Wert wird als 99%-Quantil (2,576s) angenommen. Die Standardabweichung beträgt also sm = Δm/2.576 = 0.194 g. Die statistische Summe aller 16 Schrauben ergibt die Standardabweichung der Komponenten um:
Die 99%-Grenze der Unwucht für die 16 Schrauben wird wie folgt berechnet:
Bei 16 Schrauben ergibt sich die Gesamtunwuchtbeitrag (Grenzwert) von:
Der Unwuchteinfluss der LagerThe unbalance influence of the bearings
Der Hauptanteil der Unwuchten von Kugellagern wird durch die Exzentrizität des Innenrings verursacht. Unterschiedliche Qualitätsstufen von Kugellagern und deren Durchmesser definieren zulässige Exzentrizitäten der Innenringe:
- • Parallelverschiebung
- • Neigung
- • Parallel shift
- • Tilt
Diese beiden Sonderfälle Parallelverschiebung
Diese Abweichungen der inneren Lagerringe können zu einer unbekannten Mischung aus Parallelverschiebung und Neigung der Drehachse der gesamten rotierenden Gruppe führen. Bei diesem Ansatz muss der Einfluss der beiden Kugellager statistisch als unabhängig voneinander betrachtet werden. Mit den Parametern der axialen Position der beiden Kugellager, der Masse des Rotors, dem polaren und äquatorialen Trägheitsmoment kann die Unwucht, die durch die Exzentrizität der Innenringe der Kugellager entsteht, abgeleitet werden.These deviations of the inner bearing rings can lead to an unknown mixture of parallel displacement and inclination of the axis of rotation of the entire rotating group. In this approach, the influence of the two ball bearings must be considered statistically independent of each other. With the parameters of the axial position of the two ball bearings, the mass of the rotor, the polar and equatorial moment of inertia, the unbalance caused by the eccentricity of the inner rings of the ball bearings can be derived.
Kombination aller UnwuchtbeiträgeCombination of all unbalance contributions
Nach der Ermittlung der Unwuchtursachen, deren Unwuchtwerte und Achspositionen werden alle Einflüsse in einer Simulation zusammengefasst. Jeder Unwuchtursache wird identifiziert und ein virtueller Montageprozess einer großen Anzahl von Rotoren, z.B. 10.000 Stück, kann gestartet werden. Jedes Bauteil enthält die oben zugeordneten Unwuchten als 99%-Quantil in einer bestimmten axialen Position. Ein virtueller Montageprozess aller Komponenten zu z.B. 10.000 Rotoren führt schließlich zu einer Summe aller Rotorkomponenten.
Die Unwuchten aller Bauteile werden auf die Lagerebenen bezogen, die als Ebene A für die linke Lagerung und als Ebene B für die rechte Lagerung bezeichnet werden (siehe
Das 99%-Quantil für Ebene A beträgt: 246gmm,The 99% quantile for level A is: 246gmm,
Das 99%-Quantil für Ebene B beträgt: 526gmm,The 99% quantile for level B is: 526gmm,
Im Falle der Simulation eines kompletten Rotor-Fertigungsprozesses einschließlich möglicher Auswuchtprozesse liegen die erwarteten Unwuchtverteilungen in den Lagerebenen am Ende der Rotorfertigung vor. Die Bestätigung der Fähigkeit eines Unwuchtausgleichsverfahrens ist die Unwuchtverteilung in den Ausgleichsebenen anzugeben. Um das Verhalten von wellenelastischen Rotoren abzuschätzen, kann es notwendig sein, nur Rotorbaugruppen entlang der Wellenlänge zu berechnen, um deren Unwuchtbeitrag für den jeweiligen Wellenabschnitt in einer rotordynamischen Berechnung verwenden zu können.In the case of simulating a complete rotor manufacturing process including possible balancing processes, the expected unbalance distributions in the bearing planes are available at the end of rotor manufacturing. Confirmation of the capability of an unbalance compensation process must be provided by specifying the unbalance distribution in the compensation planes. In order to estimate the behavior of shaft-elastic rotors, it may be necessary to calculate only rotor assemblies along the shaft length in order to be able to use their unbalance contribution for the respective shaft section in a rotordynamic calculation.
Pareto-DiagrammPareto diagram
Neben der Information über die Unwuchtverteilung in axialen Referenzebenen entsteht bei dieser Berechnung eines sogenannten Unwuchtbudgets auch eine Liste von Unwuchtursachen, die nach deren Unwuchtbeitrag sortiert, den stärksten Treiber für die Rotorunwucht identifizieren. Werden im vorliegenden Beispiel die Unwuchtursachen nach deren Beitrag sortiert, so zeigt sich, dass der Rundlauf der Innenkontur des Hohlrings eine Hauptursache für die Unwucht in Ebene B ist. Die Innenkontur ist keine Funktionsfläche und daher grob toleriert. Jedoch kann auf Grund der Unwucht durch die grobe Tolerierung der Innenkontur eine Toleranzeinschränkung erforderlich werden, ohne dass die Funktion der Innenkontur dies erfordern würde.In addition to the information about the unbalance distribution in axial reference planes, this calculation of a so-called unbalance budget also produces a list of causes of unbalance, which, sorted by their unbalance contribution, identify the strongest driver of the rotor unbalance. If the causes of unbalance are sorted by their contribution in the present example, it becomes clear that the concentricity of the inner contour of the hollow ring is a main cause of the unbalance in plane B. The inner contour is not a functional surface and therefore roughly tolerated. However, due to the imbalance caused by the rough toleration of the inner contour, a tolerance restriction may be necessary without the function of the inner contour requiring this.
Erweiterung auf elastische Rotoren mit WelleExtension to elastic rotors with shaft
Die oben erwähnte Ebenentransformation in Bezugsebenen durch Anwendung des Hebelgesetzes setzt ein Starrkörperverhalten des Rotors voraus. Diese Situation ist ein Sonderfall und keine allgemeine Rotorbedingung. Wenn alle auftretenden Kräfte der Unwuchtursachen nicht stark genug sind, um den Rotor im angegebenen Drehzahlbereich zu verbiegen, ist der Rotor als starr anzusehen.The above-mentioned plane transformation into reference planes by applying the lever law assumes that the rotor behaves like a rigid body. This situation is a special case and not a general rotor condition. If all the forces that occur due to the causes of imbalance are not strong enough to bend the rotor in the specified speed range, the rotor is to be considered rigid.
Wird ein Rotor in einem Drehzahlbereich betrieben, der für die berechneten Unwuchten in dem Drehzahlbereich zu Kräften führt, die die Welle biegen, so wird die axiale Verteilung der Unwuchtursachen in Bezug auf die Eigenformen wichtig.If a rotor is operated in a speed range which, for the calculated unbalances in the speed range, leads to forces that bend the shaft, the axial distribution of the unbalance causes in relation to the eigenmodes becomes important.
Die Anwendung des hier beschriebenen Verfahrens der Unwuchtbudgetierung ermöglicht die Unwuchtvorhersage von Rotorbaugruppen in bestimmten axialen Positionen für die Berechnung der Anregung für die Rotorbiegung durch Finite-Elemente-Methoden.The application of the unbalance budgeting method described here enables the unbalance prediction of rotor assemblies in specific axial positions for the calculation of the excitation for rotor bending by finite element methods.
Die Unwucht von Rotoren wird hauptsächlich durch die geometrische Form und die für den Herstellungsprozess festgelegten Formtoleranzen bestimmt. Das CAD-Modell zeigt keinen zufälligen Ungleichgewichtszustand an. Aber in dieser Entwurfsphase von Rotoren sollte der Auswuchtprozess definiert werden, leider ohne zu wissen, welcher Betrag der Unwucht ausgeglichen werden muss.The unbalance of rotors is mainly determined by the geometric shape and the shape tolerances established for the manufacturing process. The CAD model does not indicate any random unbalance condition. But in this design phase of rotors, the balancing process should be defined, unfortunately without knowing what amount of unbalance needs to be compensated.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es nun möglich, die Unwuchtverteilung des späteren Fertigungsprozesses im Voraus abzuleiten. Auch sind für ersten Unwuchtbestimmungen keine Prototypen erforderlich, die zudem meist mit anderen Bearbeitungsmethoden in einem Serienprozess hergestellt werden. Die Reihenfolge der Herstellungsverfahren im Rotoraufbau kann ebenfalls geprüft werden, wenn die Fertigungszeichnungen entsprechend angefertigt werden.With the method according to the invention, it is now possible to derive the unbalance distribution of the subsequent manufacturing process in advance. In addition, no prototypes are required for initial unbalance determinations, which are usually manufactured using other processing methods in a series process. The sequence of the manufacturing processes in the rotor structure can also be checked if the production drawings are prepared accordingly.
Claims (7)
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2023
- 2023-10-20 DE DE102023128976.4A patent/DE102023128976A1/en active Pending
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